Устройство для получения отливок лопаток турбин с комбинированной структурой

 

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к литью лопаток с направленной и монокристаллической структурой.

Устройство для получения лопаток с комбинированной структурой представляет собой керамическую оболочковую форму, состоящую из стартовой полости лопатки и ее рабочей полости. Стартовая полость лопатки выполнена из трех разновеликих полостей, расположенных в двух уровнях, две из которых в своей донной части в области входной и выходной кромок имеют коническую форму и оканчиваются затравочными полостями с тугоплавкими затравками с монокристаллической структурой заданной кристаллографической ориентации, а третья средняя часть пера образована удлинением профиля и оканчивается затравочной полостью с тугоплавким вкладышем с равноосной структурой.

Устройство обеспечивает получение лопаток с комбинированной структурой, обеспечивая оптимальные свойства лопатки в целом - максимальную жаропрочность и термостойкость кромок и высокие усталостные характеристики. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к литью лопаток с направленной и монокристаллической структурой.

Наиболее близким устройством к заявляемому является устройство, в котором получение деталей большой протяженности с монокристаллической структурой обеспечивается применением нескольких затравок заданной ориентации относительно небольшого диаметра. Устройство представляет собой керамическую форму, состоящую из рабочей полости отливки большой протяженности, нескольких стартовых полостей, заканчивающихся затравочными полостями, в том числе тремя, с затравками с заданной ориентацией, расположенных на одном уровне с донной частью отливки. Фронт кристаллизации начинается от каждой из затравок, установленных на охлаждаемой плите, и движется до формирования общего фронта кристаллизации по мере охлаждения отливки. При этом получают монокристаллические детали, содержащие субграницы в местах стыка субзерен. Необходимо контролировать ориентацию всех субзерен полученных отливок, т.к. их значительная разориентация (> 6^o) может привести к существенному снижению свойств изделия (понижение пластичности ≈ 50%). Недостатком устройства для получения сложных протяженных изделий является невозможность получения комбинированной структуры изделий, в частности монокристаллических кромок пера лопатки и столбчатой структуры средней части.

Технической задачей данного изобретения является получение лопаток, входная и выходная кромки которых являются монокристаллами заданной осевой и азимутальной кристаллографической ориентации и тонкостолбчатой средней части пера лопаток, т.е. получение лопаток с комбинированной структурой, обладающих оптимальным комплексом свойств.

На чертеже представлено описываемое устройство.

Устройство представляет собой керамическую оболочковую форму 1, состоящую из стартовой зоны 2 и рабочей полости 3. Стартовая зона лопатки выполнена из трех раздельных полостей, расположенных в двух уровнях. Две из этих полостей 4 и 5, формирующие кристаллы входной и выходной кромок, имеют коническую форму и оканчиваются затравочными полостями "a" и "c", в которые установлены тугоплавкие затравки с монокристаллической структурой заданной осевой и азимутальной кристаллографической ориентации. Третья полость "b" сформирована удлинением профиля пера и расположена между полостями "a" и "c". В ее донную часть установлен металлический тугоплавкий вкладыш 6 с равноосной структурой. Устройство располагают внутри нагревателей 7 и 8 вакуумной установки и производят нагрев до требуемых температур.

Расплавленный металл из тигля (на рисунке не показан) заливают в открытую верхнюю часть формы и начинают направленную кристаллизацию путем перемещения формы из зоны нагрева в зону охлаждения 9 до полной кристаллизации отливки.

Пример работы устройства.

Модель лопатки наращивается с торцевой стороны входной и выходной кромки коническими надставками с расширенными объемами при вершине. Средняя часть пера наращивается надставкой в виде продолжения профиля пера на величину H ≥ 2h. После чего на модель наносят покрытие по общепринятой технологии, зачищая затравочные поверхности a, b, c. После удаления модельной массы и прокалки оболочковой формы в затравочные полости "a" и "c" устанавливают монокристаллические затравки из тугоплавкового материала Ni 30%W, а в затравочную полость "b" тугоплавкий вкладыш из того же материала с равноосной структурой. Все металлические закладные детали закрепляют в оболочковой форме клеящей керамической композицией и после сушки при комнатной температуре в течение 2 часов форму помещают в вакуумную установку УВНК-8П. Форму располагают в печи так, чтобы полости, содержащие монокристаллические затравки, были на уровне нижнего среза нижнего нагревателя. После этого производят нагрев формы до температуры 1450^oC. В отдельной индукционной печи расплавляют жаропрочный сплав типа ЖС и при температуре Т 1560 ± 20^oC заливают в нагретую форму. После этого осуществляют направленную кристаллизацию со скоростью 5 20 мм/мин путем перемещения из зоны нагрева в зону охлаждения жидкометаллический расплав. Скорость кристаллизации выбирается в зависимости от конструкции лопатки и применяемого жаропрочного сплава.

От тугоплавкого вкладыша с равноосной структурой растут направленные вдоль оси лопатки зерна с произвольной азимутальной ориентацией, а от монокристаллических затравок монокристаллы заданной ориентации, что обеспечивает оптимальные свойства лопатки в целом максимальная жаропрочность и термостойкость кромок и высокие усталостные характеристики.

В таблице даны сравнительные свойства лопаток, полученных в предлагаемом устройстве и в устройстве прототипа.

Применение предложенного устройства позволит повысить ресурс лопатки в 2 3 раза за счет оптимального сочетания свойств сплава в одном изделии.

Формула изобретения

Устройство для получения отливок лопаток турбин с комбинированной структурой, представляющее собой керамическую форму, имеющую рабочую полость и стартовую зону в виде трех раздельных затравочных полостей, в которых размещены затравки, отличающееся тем, что затравочные полости расположены на двух уровнях стартовой зоны, причем в двух из них размещены монокристаллические затравки, выполненные из тугоплавкого сплава заданной кристаллографической ориентации, расположены эти две затравочные полости в области стартовой зоны для формирования монокристалла входной и выходной кромок лопатки, а третья затравочная полость для формирования средней части пера лопатки размещена между упомянутыми двумя, а ее затравка выполнена в виде металлического тугоплавкого вкладыша с равноосной структурой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2